design and control of a tracheal occlusion system for an active implantable artificial larynx
conception de la commande d'un système d'occlusion de la trachée pour un larynx artificiel implantable actif
Résumé
This thesis investigates the feasibility of an implantable active artificial larynx for the restoration of laryngeal functions following total laryngectomy. Specifically, our focus is on the restoration of swallowing, as it is the only laryngeal function that poses a vital risk of food aspiration during the swallowing process. To replicate the airway protection mechanism inherent in the natural larynx, we explore the feasibility of real-time and implantable detection of swallowing, which could enable the development of an implantable active mechanism for airway closure. In the first chapter, we begin by studying the anatomy of the neck, the functioning of swallowing, and the current methods for restoring laryngeal functions. We highlight the limitations of existing approaches, which do not prioritize a definitive restoration of the airways, and describe the shortcomings of the previous and only attempt at implanting an artificial larynx, which relied solely on a passive approach to replicate swallowing. The second chapter presents a comprehensive analysis of the neck muscles and introduces an innovative measurement method within a clinical research protocol, in collaboration with an otorhinolaryngologist. We recorded the activity of the stylohyoid and posterior digastric muscles using intramuscular electromyography (EMG), hypothesizing their potential for future detection algorithms development. Additionally, we measure the submental muscles using surface EMG, as they have been extensively studied, and use them as reference for comparisons and to access the beginning of swallowing. Furthermore, the swallowing sound was measured with an accelerometer, which allowed to establish a temporal limit for the detection of swallowing, defined as the moment the airways are at risk of aspiration. The third chapter presents a detailed statistical analysis of the timing and recruitment patterns of each muscle. Our findings demonstrate the significantly superior potential of the stylohyoid and posterior digastric muscles compared to the submental muscles, in providing stable and dedicated activity during the early stages of swallowing, and before the temporal limit. In the fourth chapter, we evaluate the potential of each muscle within real-time detection strategies using machine learning. Our approach outperforms existing strategies and the submental muscles. Notable improvements in the performances measured by the F1-score were observed in the stylohyoid muscle, and the earliest detection was systematically provided by the posterior digastric muscle, primarily preceding the temporal limit. The fifth chapter reflects on the artificial larynx as an active laryngeal prosthesis designed to detect swallowing and to protect the airways while integrating into the newly reconstructed airways. We explore current reconstruction methods and discuss the advantages of cryopreserved aortas for replicating a tracheal conduit. Lastly, the sixth chapter explores the inherent constraints of an active closure system and proposes future research directions. We conclude with the analysis of a laboratory prototype we developed, which utilizes the previously acquired signals and demonstrates the possibility of a real-time detection of swallowing and airway closure in less than 30ms.
Cette thèse étudie la faisabilité d'un larynx artificiel implantable actif devant permettre la restauration des fonctions du larynx, perdues suite à une laryngectomie totale. Plus particulièrement, nous nous intéressons à la restauration de la déglutition, cette dernière étant la seule fonction laryngée posant un risque vital d'aspiration du bol alimentaire, lors d'une déglutition. Ainsi, afin de rendre possible la reproduction du mécanisme de protection des voies aériennes propre au larynx, nous étudions la faisabilité d'une détection en temps réel et implantable de la déglutition, devant permettre le développement ultérieur d'un mécanisme implantable actif de fermeture des voies aériennes. Dans un premier chapitre, nous commençons par étudier l'anatomie du cou, le fonctionnement de la déglutition, et les méthodes actuelles de restauration des fonctions laryngées. Nous exposons les limites de leur fonctionnement, qui n'est pas pensé autour d'une restauration définitive des voies aériennes, et nous décrivons ensuite l'incapacité de la seule tentative de larynx artificiel précédemment implanté, à reproduire la déglutition par une approche uniquement passive. Ainsi, le deuxième chapitre propose une analyse approfondie des muscles du cou et l'élaboration d'une méthode de mesure novatrice, au sein d'un protocole de recherche clinique et en collaboration avec un médecin otorhinolaryngologiste, afin d'enregistrer l'activité des muscles stylohyoïdien et digastrique postérieur par électromyographie (EMG) intramusculaire. Nous formulons l'hypothèse qu'ils permettraient la conception future d'une méthode de détection de la déglutition. En outre, nous mesurons également les muscles sous-mandibulaires, par EMG de surface. Ceux-ci ayant été largement étudiés, ils sont utilisés comme base de comparaison et permettent d'accéder au début de la déglutition. Pour finir, le son de la déglutition est mesuré avec un accéléromètre, afin de définir une limite temporelle de détection de la déglutition, à partir de laquelle les voies aériennes sont en danger d'aspiration. Le troisième chapitre propose alors une analyse statistique approfondie des timings et des modes de recrutement de chacun des muscles. Nous montrons ainsi le potentiel nettement supérieur des muscles stylohyoïdien et digastrique postérieur, en comparaison des muscles sous-mandibulaires, à fournir une activité stable et dédiée, dès les premiers instants de la déglutition et avant la limite temporelle de détection. Le quatrième chapitre évalue ensuite le potentiel de chacun des muscles au sein de stratégies de détection temps réel par apprentissage machine. Nous montrons ainsi le potentiel nettement supérieur de notre approche en comparaison des stratégies actuelles et des muscles sous-mandibulaires. En particulier le muscle stylohyoïdien démontrait une nette amélioration des performances, mesurées par F1-score, et le muscle digastrique postérieur fournissait la détection la plus précoce, principalement avant la limite temporelle. Par la suite, le cinquième chapitre propose une réflexion sur le larynx artificiel, en tant que prothèse laryngée active devant détecter la déglutition et devant protéger les voies aériennes, tout en s'intégrant au sein des voies aériennes nouvellement reconstruites. Nous explorons les méthodes actuelles de reconstruction et discutons des avantages de l'aorte cryoconservée pour reproduire un conduit trachéal. Pour finir, le sixième chapitre explore les contraintes inhérentes à un système actif de fermeture, et propose de futures lignes de recherche. Nous terminons par l'analyse d'un prototype de laboratoire, qui utilise les signaux préalablement acquis, et nous montrons la possibilité détecter la déglutition et de fermer les voies aériennes en temps réel et en moins 30ms.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
---|